引言：什么是自由度，自由度在各個(gè)學(xué)科中有著不同的含義，若是依據(jù)機(jī)械原理的話，其含義為機(jī)構(gòu)的位置得以確定時(shí)必須給出獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，這也被稱(chēng)之為機(jī)構(gòu)自由度。本文主要介紹機(jī)械臂自由度的含義，以及機(jī)械臂自由度的計(jì)算方式。

　　機(jī)械臂類(lèi)似于人的手臂，是一種多自由度機(jī)器人，由多個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)通過(guò)機(jī)械臂本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)逐個(gè)連接而成，其末端可以實(shí)現(xiàn)空間的多自由度運(yùn)動(dòng)。在末端安裝機(jī)械手、吸盤(pán)、焊槍、噴嘴等執(zhí)行器，就可以代替人們進(jìn)行部分高強(qiáng)度、高危的重復(fù)工作。

　　機(jī)械臂的自由度通常有六個(gè)自由度，一般專(zhuān)用的機(jī)械臂只有兩個(gè)到四個(gè)自由度，而通用機(jī)械臂則大多數(shù)為三個(gè)到六個(gè)自由度。機(jī)械臂自由度越高，其機(jī)構(gòu)所執(zhí)行的動(dòng)作也就越復(fù)雜。下面先為大家簡(jiǎn)單介紹一下機(jī)械臂自由度的含義。

機(jī)械臂自由度

　　機(jī)械臂自由度的含義

　　機(jī)械臂上能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)目，被稱(chēng)之為機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)自由度。工業(yè)機(jī)器人采取的控制方法就是把機(jī)械臂上的每一個(gè)關(guān)節(jié)都當(dāng)成一個(gè)單獨(dú)的伺服機(jī)構(gòu)，并且每個(gè)軸都對(duì)應(yīng)著一個(gè)伺服器，每一個(gè)伺服器都是通過(guò)總線來(lái)進(jìn)行控制，由控制器進(jìn)行統(tǒng)一控制并協(xié)調(diào)工作。

　　在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人時(shí)一般會(huì)采用六個(gè)自由度，分別為沿x軸、y軸、z軸平移；繞x軸、y軸、z軸旋轉(zhuǎn)，前面三個(gè)自由度是用于確定位置，后面三個(gè)自由度則是用于確定姿態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的控制。一個(gè)基準(zhǔn)面與物體底面重合，限制了物體沿z軸平移，繞x軸旋轉(zhuǎn)，繞y軸旋轉(zhuǎn)三個(gè)自由度；二個(gè)基準(zhǔn)面又與物體后側(cè)面重合，限制了物體沿x軸平移，繞z軸旋轉(zhuǎn)二個(gè)自由度；三個(gè)基準(zhǔn)面與物體另一個(gè)側(cè)面重合，限制了物體沿y軸平移一個(gè)自由度。

　　若根據(jù)機(jī)械臂不同的結(jié)構(gòu)形式可分為水平多關(guān)節(jié)機(jī)械臂和直角坐標(biāo)系機(jī)械臂等。水平多關(guān)節(jié)機(jī)械臂一般會(huì)有Z1軸旋轉(zhuǎn)、Z2軸旋轉(zhuǎn)、Z軸平移這三個(gè)主自由度，通過(guò)在執(zhí)行末端加裝X軸旋轉(zhuǎn)和Y軸旋轉(zhuǎn)就可以到達(dá)空間內(nèi)任何一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。直角坐標(biāo)系機(jī)械臂一般由X軸平移，Y軸平移，Z軸平移這三個(gè)主自由度組成，通過(guò)在執(zhí)行末端加裝X軸旋轉(zhuǎn)、Y軸旋轉(zhuǎn)和Z軸旋轉(zhuǎn)就可以到達(dá)空間內(nèi)任何一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。

　　機(jī)械臂自由度的計(jì)算方式

　　機(jī)械臂自由度的計(jì)算是在設(shè)計(jì)機(jī)械臂時(shí)的先決條件，通過(guò)計(jì)算機(jī)械臂的自由度，就可以得知機(jī)械臂可能產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)方式，如若是機(jī)械臂的關(guān)節(jié)只需要上下移動(dòng)，則必須限制關(guān)節(jié)繞X軸、Y軸、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及沿X軸、Y軸方向的移動(dòng)。機(jī)械臂的自由度可分為平面自由度和空間自由度，可利用簡(jiǎn)單的計(jì)算方式計(jì)算出它們的自由度。

機(jī)械臂自由度

　　平面自由度的計(jì)算方式。假如機(jī)械臂所有的關(guān)節(jié)為k，減去固定構(gòu)件(機(jī)座)，則機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)量為n=k-1。在沒(méi)有用運(yùn)動(dòng)副連接前，這些關(guān)節(jié)的自由度總數(shù)為3n。當(dāng)運(yùn)動(dòng)副將這些關(guān)節(jié)連接起來(lái)組成機(jī)械臂之后，機(jī)械臂中各個(gè)關(guān)節(jié)具有的自由度就減少了，若機(jī)械臂中的低副數(shù)有PL個(gè)，高副數(shù)有PH個(gè)，而機(jī)械臂中全部的運(yùn)動(dòng)副所引入的約束總數(shù)有2PL+PH。所以，關(guān)節(jié)自由度的總數(shù)減去運(yùn)動(dòng)副所引入的約束總數(shù)等于該機(jī)械臂的自由度，即F=3n-2PL-PH就是計(jì)算平面自由度的方式。

　　空間自由度的計(jì)算方式。首先，我們需要知道機(jī)械臂在空間是具有六個(gè)自由度的，不同于在平面具有的三個(gè)自由度。它們的計(jì)算方式基本相同，都是關(guān)節(jié)自由度的總數(shù)減去運(yùn)動(dòng)副引入的約束總數(shù)等于該機(jī)械臂的自由度，計(jì)算方式：F=6n-5P5-4P4-3P3-2P2-P1。F表示機(jī)械臂的自由度，6n表示關(guān)節(jié)自由度的總數(shù)，P1、P2、P3、P4、P5分別表示1-5級(jí)運(yùn)動(dòng)副的個(gè)數(shù)。

　　瀏覽以上文章可以了解到機(jī)械臂自由度的含義以及計(jì)算方式，機(jī)械臂上能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)目，就是機(jī)械臂的自由度。通常要在設(shè)計(jì)機(jī)械臂時(shí)，我們會(huì)使用到其自由度的計(jì)算方式，通過(guò)計(jì)算方式來(lái)得知機(jī)械臂可能產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)方式。關(guān)注我們，了解更多有關(guān)機(jī)械臂自由度的知識(shí)與應(yīng)用。